Lý thuyết mạch điện :Mạch lọc điện

Chương7 Mạch lọc điện Tóm tắt Lý thuyết Mạch lọc điện là một mạng bốn cực thực hiện biến đổi phổ của tín hiệu theo một quy luật toán học nào. Mạch lọc thông dụng thất là mạch lọc thuần kháng LC. Mạch lọc LC lại chia thành loại “k” và loại “m”.Lý thuyết mạch lọc thuần kháng thường xuất phát từ MBC hình “Ô hình 7.1a). Để nhận được công thức có dạng toán học thuận tiện, người ta ký hiệu trở kháng nhánh ngang là 2 1 Z , nhánh dọc là 2Z 2 . Từ mạch lọc hình 7.1a) tạo ra mạch loc đối xứng hình Thình 7.1b) và lọc đối xứng hình π hình 7.1c). Lý thuyết chung lọc thuần kháng xây dựng cho mạch hình 7.1a) xuất phát từ công thức hằng số truyền đặc tính g C của MBC .AA b sin a jch b cos a sh) b j a (sh g sh ccccccC 2112 2222222 =+=+= (7.1) Từ (7.1) tìm được điều kiện có lọc là Z 1 và Z 2 phải khác tính. Trường hợp tích tổng trở hai nhánh là một hằng thì lọc là lọc loại k. Lúc đó Z 1 Z 2 =R 0 2 =K 2 =const. (7.2) Trong đó 21 ZZ có thứ nguyên của điện trở, gọi là điện trở danh định của mạch lọc, ký hiệu là R 0 hoặc K. Trong công thức 7.1 thì g C /2 là hằng số truyền đặc tính của mạch lọc hình “Ô hình 7.1a) , thường gọi là một nửa đốt lọc. Mắc liên thông hai nửa đốt được một đốt hình T hoặc π, có hằng số truyền đặc tính là g C . +Lọc thông thấp (hay lọc tần số thấp) loại K có nhánh ngang là điện cảm, nhánh dọc là điện dung như ở hình 7.2. (dải thông 0÷ω C , dải chặn ω C ÷∞) Các công thức để tính các thông số của mạch lọc thông thấp: Điện trở danh định: 2 1 0 C L R = (7.2) Tần số cắt: 2121 1 2 2 CL f; CL C CC π = π ω ==ω (7.3) Hệ số suy giảm đặc tính ở trong dải chặn: 2 2 2 1 4 C X X ω ω = ]Nepe[ f f charccharca cc c 22 = ω ω = (7.4) Hệ số pha đặc tính: 192 Trong dải thông: hoÆcrad[ f f charcsinarcb cc c 22 = ω ω = độ] (7.5) Trong dải chặn: b C = π. Tổng trở đặc tính: 2 0 2 0 2 0 2 0 11 11         − =         ω ω − =         −=         ω ω −= π cc C cc CT f f RR Z f f RRZ (7.6) Chú ý: Mạch lọc có tổng trở đặc tính phụ thuộc vào tần số nên nói chung là không thể đảm bảo HHPT. Vì vậy định nghĩa một cách tương đối trong cac bài tập sẽ giải là: chế độ HHPT là chế độ tải thuần trở R t =R 0 . Sự mất hoà hợp phụ tải được đặc trưng bởi hệ số tải: 0 R R t =α (7.7) +Lọc thông cao (hay lọc tần số cao) loại K có nhánh ngang là điện dung, nhánh dọc là điện cảm như ở hình 7.3. (dải thông ω C ÷ ∞, dải chặn 0 ÷ ω C ) Các công thức để tính các thông số của mạch lọc thông cao: Điện trở danh định: 1 2 0 C L R = (7.8) Tần số cắt: 2121 4 1 2 2 1 CL f; CL C CC π = π ω ==ω (7.9) Hệ số suy giảm đặc tính ở trong dải chặn: 2 2 2 1 4 ω ω = C X X ]Nepe[ f f charc2charc2a CC c == ω ω (7.10) Hệ số pha đặc tính: Trong dải thông: hoÆcrad[ f f charcsinarcb cc c 22 = ω ω −= độ] (7.12) Trong dải chặn: b C = -π. Tổng trở đặc tính: 193 H×nh 7.3 b) c) a) 2 L Z CT Z CT Z CT Z C π Z C π Z C π 2 L 2 2 L 2 2 L 2 1 C 2 1 C 2 1 C 2 1 C 2 0 2 0 2 0 2 0 11 11       − =       ω ω − =       −=       ω ω −= π f f RR Z f f RRZ cc C cc CT (7.13) +Lọc thông dải(hay lọc dải thông) loại K có nhánh ngang là khung cộng hưởng nối tiếp, nhánh dọc là khung cộng hưởng song song, hai nhánh có cùng tần số cộng hưởng ω 0 (Hình 7.4). (dải thông ω C1 ÷ω C2 , dải chặn 0 ÷ ω C1 , ω C2 ÷ ∞ ) Các công thức để tính các thông số của mạch lọc thông dải loại k: Điện trở danh định: 1 2 2 1 0 C L C L R == (7.14) Tần số cắt: 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 2 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 1 1 1 ω+         +=+         +=ω ω+         +−=+         +−=ω L R L R CLL R L R L R L R CLL R L R C C (7.15) Dải thông: ∆ω=ω C2 -ω C1 = 1 0 2 L R (7.16) Tần số trung tâm 21 2211 0 11 CC CLCL ωω===ω (7.17) Hệ số suy giảm đặc tính ở trong dải chặn: 2 2 1 4 F X X = (7.18) 0 1 0 2 0 0 0 1 0 2 0 0 f f f f f f f f F CCCC − − = ω ω − ω ω ω ω − ω ω = (7.19) ]Nepe[Fcharca c 2= (7.20) Hệ số pha đặc tính: b c =        ∞≤ω≤ωπ ω≤ω≤ω ω≤ω≤ω− ω≤ω≤π− 2 20 01 1 2 2 0 C C C C khi khiFsinarc khiFsinarc khi (7.21) 194 Tổng trở đặc tính: 2 0 2 0 1 1 F R Z;FRZ CCT − =−= π (7.22) +Lọc chặn dải (hay lọc chặn dải hay lọc dải chắn) loại K có nhánh ngang là khung cộng hưởng song song, nhánh dọc là khung cộng hưởng nối tiếp –hình 7.5 (dải thông 0÷ω C1 và ω C2 ÷∞, dải chặn ω C1 ÷ω C2 ). Các công thức để tính các thông số của mạch lọc chặn dải loại K: Điện trở danh định: 1 2 2 1 0 C L C L R == (7.23) Tần số cắt (giống lọc thông dải) : 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 2 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 1 1 1 ω+         +=+         +=ω ω+         +−=+         +−=ω L R L R CLL R L R L R L R CLL R L R C C (7.24) Dải chặn: ∆ω=ω C2 -ω C1 = 1 0 2 L R (7.25) Tần số trung tâm 21 2211 0 11 CC CLCL ωω===ω (7.26) Hệ số suy giảm đặc tính ở trong dải chặn: ]Nepe[ F charca c 1 2= (7.27) 2 0 0 2 0 0 0 1 0 2 0 0 0 1 0 2 0 0 C C CCCC f f f f f f f f f f f f f f f f F − − = − − = ω ω − ω ω ω ω − ω ω = (7.28) Hệ số pha đặc tính: b c =          ∞≤ω≤ω− ω≤ω≤ωπ− ω≤ω≤ωπ ω≤ω≤ 2 20 01 1 1 2 0 1 2 C C C C khi F sinarc khi khi khi F sinarc (7.29) Tổng trở đặc tính: 2 0 2 0 1 1 1 1 F R Z; F RZ CCT − =−= π (7.30) Lọc loại M: Kết cấu nối tiếp (hình 7.6a) 195 1 2 2 211 4 1 Z m m m Z Z;mZZ mm − +== (7.31) Kết cấu song song (hình 7.6b) 2 2 11 2 2 1 4 111 Z m m mZZ ; m Z Z m m − +== (7.32) Các tham số: 2 1 2 2 2 1 14 4 m Z Z m Z Z m m −+ = (7.33) Tần số cắt giữ nguyên các công thức như lọc loại k. Tần số đột biến của a C (tần số ω ∞ , tại đó a C = ∞) 2 1 2 14 m Z Z −+ =0 (7.34) Suy giảm đặc tính trong dải chặn: 2 1 2 1 4 2 m Z Z m charca c −+ = (7.35) Pha đặc tính trong dải thông: 2 1 2 1 4 2 m Z Z m sinarcb c −+ ±= (7.36) Tổng trở đặc tính: 2 1 2 4 11 Z Z )m( Z Z CT CTm −+ = (7.37) ] Z Z )m([ZZ CmC 2 1 2 4 11 −+= ππ (7.38) Mạch lọc RC. Lọc RC thông thấp (hình 7.7) Tần số cắt: RC C 4 =ω (7.39) Hệ số suy giảm đặc tính: 196 2 2 4 1 28 ) RC ( RC)RC( sha c ω + ω + ω = (7.40) 2 1 2 RC asha RC Khi c ω ≈≈ →< ω (7.41.) Tại tần số cắt sha C =2,2, tức a C =1,53 nepe Ghép hai nửa đốt hình 7.7a) được một đốt lọc hình T hình 7.7b) hoặc một đốt lọc hình π hình 7.7c). Đốt lọc hình π sử dụng sẽ ít tổn hao năng lượng hơn đốt lọc hình T vì dòng ở hìnhT đi qua hai điện trở mắc nối tiếp. Lọc RC thông cao (hình 7.8) Tần số cắt: RC C 4 1 =ω (7.42) Hệ số suy giảm đặc tính: 22 4 1 1 2 1 8 1 )RC( RC )RC( sha C ω + ω + ω = (7.43) Khi RC asha RC c ω ≈≈→< ω 2 1 1 2 1 (7.44) Tại tần số cắt sha C =2,2, tức a C =1,53 nepe. Ghép hai nửa đốt hình 7.8a) được một đốt lọc hình T hình 7.8b) hoặc một đốt lọc hình π hình 7.8c). Mắc liên thông một đốt lọc thông thấp và một đốt lọc thông cao được lọc RC thông dải. bài tập 7.1.Mạch lọc thông thấp có tần số cắt là 15Khz, điện trở tải 500Ω. Hãy xác định: a) Các thông số vật lý của mạch lọc. b) Vẽ sơ đồ hình “Γ”, hình “T” và hình “π” của mạch lọc, điền trên hình vẽ trị số các thông số vật lý của mạch. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 10 Khz, 20 Khz và 25 Khz. 197 d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 5 Khz, 10 Khz và 20 Khz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 5 Khz, 10 Khz. 7.2. Mạch lọc thông thấp tần số cắt f C =12 Khz. a) ở tần số nào thì hệ số suy giảm đặc tính đạt 2,172 nepe? b) ở tần số nào thì hệ số pha đặc tính đạt 90,2 0 ? 7.3.Mạch lọc thông thấp loại k có tần số cắt 8 Khz. Hãy xác định hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 12 Khz và 18 Khz, hệ số pha đặc tính ở tần số 2,5 Khz và 6 Khz. 7.4.Mạch lọc thông thấp có tần số cắt là 500 Hz, điện trở tải 600Ω. Hãy xác định: a) Các thông số vật lý của mạch lọc. b) Vẽ sơ đồ hình “Ô, hình “T” và hình “π” của mạch lọc, điền trên hình vẽ trị số các thông số vật lý của mạch. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 1000 Hz và 1500 hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 120 Hz và 320 Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 120 Hz và 320 Hz. 7.5. Đốt lọc thông thấp hình T có điện trở danh định là 450 Ω, tần số cắt 1200 Hz. a) Xác định các thông số vật lý của đốt lọc. b) ở tần số nào thì hệ số suy giảm đặc tính của đốt lọc là 2,585 nepe? c) ở tần số vừa tìm được muốn có hệ số suy giảm đặc tính là 7,755 nepe thì phải kết cấu mạch lọc như thế nào? d) Tính hệ số suy giảm đặc tính của mạch lọc vừa kết cấu ở tần số 2000 Hz. 7.6. Đốt lọc thông thấp hình T có điện trở danh định là 450 Ω, tần số cắt 1200 Hz. Hãy xác định: a) Tổng trở đặc tính ở tần số 250 Hz. b) ở tần số nào thì tổng trở đặc tính của đốt lọc là 320 Ω? c) Nếu điện trở tải là 520 Ω thì nên kết cấu đốt lọc như thế nào để đảm bảo phối hợp trở kháng với tải? Khi đó ở tần số nào sẽ có phối hợp trở kháng hoàn toàn? 7.7. Đốt lọc thông thấp hình π có điện trở danh định là 450 Ω, tần số cắt là 1500 Hz.Hãy xác định: a) ở tần số nào thì tổng trở đặc tính của mạch lọc là 600Ω b) ở tần số nào thì hệ số pha đặc tính có trị số 1,46 rad. 7.8.Cho mạch lọc hình 7.9.Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc. b) Điện trở danh định R 0 của mạch lọc. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 2000 Hz và 2500 hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 500 Hz và 920 Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 500 Hz f) Vẽ mạch lọc hình π tương ứng và điền trị số các thông số mạch trên hình đó. 198 7.9.Cho mạch lọc hình 7.10.Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc. b) Điện trở danh định R 0 của mạch lọc. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 4000 Hz và 6 000 hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 1000 Hz và 1800 Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 500 Hz f) Vẽ đốt lọc hình T và hình π tương ứng ; điền trị số các thông số mạch trên hình đó. 7.10.Cho mạch lọc hình 7.11.Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc. b) Điện trở danh định R 0 của mạch lọc. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 1000 Hz và 2500 hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 350 Hz và 1200 Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 250 Hz f) Vẽ hình T tương ứng và điền trị số các thông số mạch trên hình đó. 7.11. Mạch lọc thông cao có tần số cắt là 800 Hz,điện trở tải 250Ω.Hãy xác định: a) Các thông số vật lý của mạch lọc. b) Vẽ sơ đồ hình “Ô, hình “T” và hình “π” của mạch lọc, điền trên hình vẽ trị số các thông số vật lý của mạch. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 150 Hz, 500 Hz và 1000 Hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 250 Hz, 1000 Hz và 1500 Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 1200 Hz. 7.12. Mạch lọc thông cao có tần số cắt là 500 Hz. a) ở tần số nào thì hệ số suy giảm đặc tính đặc tính của mạch lọc đạt 3 nepe. b) ở tần số nào thì hệ số pha đặc tính có trị số -1,46 rad. 7.13. Mạch lọc thông cao có tần số cắt là 200 Hz. a) ở tần số nào thì hệ số suy giảm đặc tính đặc tính của mạch lọc đạt 35,86 dB. b) ở tần số nào thì hệ số pha đặc tính có trị số - 60 0 . 7.14.Cho mạch lọc hình 7.12.Hãy xác định: 199 a) Tần số cắt của mạch lọc. b) Điện trở danh định R 0 của mạch lọc. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 90 Hz và 180 hz. d) Hệ số pha đặc tính ở tần số 100 Hz và 320Hz. e) Tổng trở đặc tính ở tần số 300 Hz f) Vẽ mạch lọc hình T tương ứng và điền trị số các thông số mạch trên hình đó. 7.15. Cho mạch lọc hình 7.13. Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc. b) Điện trở danh định R 0 của mạch lọc. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở tần số 200 Hz. d) ở tần số nào thì hệ số suy giảm đạt 3,5 nepe. e) ở tần số nào thì hệ số pha đặc tính có trị số là - 70 0 f) Vẽ mạch lọc hình T và hình π tương ứng ; điền trị số các thông trên các hình đó. 7.16. Mạch lọc thông dải loại k có tần số cắt f C1 =8 Khz, f C2 = 12,5 Hz, điện trở tải 850 Ω. Hãy xác định: a) Các thông số vật lý của mạch lọc. b) Vẽ sơ đồ hình “Ô, hình “T” và hình “π” của mạch lọc, điền trên hình vẽ trị số các thông số vật lý của mạch. c) Hệ số suy giảm đặc tính ở các tần số 5 Khz và 20 Kz. d) Hệ số pha đặc tính ở các tần số 5 Kz, 9 Khz, 11,111 Khz và 20 Khz. e) Tổng trở đặc tính ở các tần số 9 Khz và 11,111 Khz 7.17. Cho mạch lọc hình 7.14. a) Đây là mạch lọc loại gì,tại sao? 200 b) Vẽ sơ đồ hình hình “π” tương ứng của mạch lọc và điền trên trị số các thông số vật lý của mạch lọc trên đó. c) Tính hệ số suy giảm đặc tính ở các tần số 4,5 Khz và 16,082 Kz. d) Hệ số pha đặc tính ở các tần số 4 Kz, 7,5 Khz, 9,65 Khz và 18,092Khz. e) Tổng trở đặc tính ở các tần số 7,5 Khz và 9,65 Khz. 7.18. Mạch lọc dải chắn loại k có điện trở danh định là 1000 Ω, các tần số cắt là 6,25 Khz và 10,24 Khz. a) Các thông số vật lý của mạch lọc. b) Vẽ sơ đồ hình “Ô, hình “T” và hình “π” của mạch lọc, điền trên hình vẽ trị số các thông số vật lý của mạch. c) Vẽ định tính dạng đặc tính biên độ tần số a C và pha tần số b C (theo lý thuyết). d) Tính hệ số suy giảm đặc tính ở các tần số 7,5 Khz và 8,533 Kz. e) Tính hệ số pha đặc tính ở các tần số 4 Kz; 7,5Khz; 8,533 Khz và 16 Khz. 7.19. Mạch lọc thông thấp loại m hình T có m=0,5; kết cấu nối tiếp, được tạo từ mạch lọc loại K tương ứng có điện trở danh định R 0 =1000Ω, tần số cắt f C =1Khz a) Tính các thông số vật lý của mạch lọc b) Vẽ sơ đồ mạch lọc và điền trị số các thông số mạch trên sơ đồ. c) Tính tần số đột biến ω ∞ của đặc tính biên độ tần số (tần số có a C → ∞ ) d) Tính suy giảm đặc tính ở tần số 1100 Hz và 1160 Hz 7.20. Mạch lọc thông thấp loại m hình T có m=0,5, kết cấu song song, được tạo từ mạch lọc loại K tương ứng có điện trở danh định R 0 =1000Ω, tần số cắt f C =1000 Hz a) Tính các thông số vật lý của mạch lọc b) Vẽ mạch lọc và điền trị số các thông số mạch trên sơ đồ c) Tính tần số đột biến ω ∞ của đặc tính biên độ tần số (tần số có a C → ∞ ) d) Tính suy giảm đặc tính ở tần số 1100 Hz và 1160 Hz 7.21. Với mạch lọc hình 7.15 a) Đây là lọc loại nào?Tại sao? b) Tính tần số cắt của mạch lọc. c) tính hệ số suy giảm a C của mạch lọc điền vào bảng 7.1, từ đó vẽ đồ thị tương ứng. (Nên lập trình để tính theo công thức 7.40). Bảng 7.1 ω rad/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 a C nepe 201 . k: Điện trở danh định: 1 2 2 1 0 C L C L R == (7. 14 ) Tần số cắt: 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 2 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 1 1 1 ω+         +=+  . định: 1 2 2 1 0 C L C L R == (7. 23) Tần số cắt (giống lọc thông dải) : 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 2 2 0 2 1 0 1 0 11 2 1 0 1 0 1 1 1 ω+         +=+